《电力电子技术（第2版）》-0

绪论（２）ＤＣ／ＡＣ变换。将直流电能转换为频率固定或可调的交流电能的电路，常称为逆变电路。逆变电路不但能使直流变成可调的交流，而且可输出连续可调的工作频率。完成逆变的电力电子装置称为逆变器。将逆变器的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电返送到电网中去，称为有源逆变。它主要用于直流电机的逆调速、绕线转子异步电动机的串级调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。将逆变器的交流侧直接接到负载上，把直流电逆变成某一频率或可调频率的交流电供给负载，则称为无源逆变。主要在感应加热、不间断电源（ＵＰＳ）等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。上一页下一页返回绪论（３）ＤＣ／ＤＣ变换。将一种直流电能转换成另一种固定电压或可调电压的直流电的电路即为ＤＣ／ＤＣ变换，也称为斩波电路。斩波电路大都采用ＰＷＭ控制技术。它广泛应用于计算机电源、各类仪器仪表、直流电机调速及金属焊接等。（４）ＡＣ／ＡＣ变换。将固定大小和频率的交流电能转化为大小和频率可调的交流电能的电路，即为ＡＣ／ＡＣ变换或交流变换电路。交流变换电路可分为交流调压电路和变频电路。交流调压电路在维持电能频率不变的情况下改变输出电压幅值。它广泛应用于电炉温度控制、灯光调节、异步电动机的软启动和调速等场合。变频电路是将电网固定大小和频率的交流电变换成不同大小和频率的交流电。其中的交－交变频电路主要用于大功率低速交流电动机调速系统；交－直－交变频电路是由不控整流结合无源逆变构成，主要用于交流电机变频调速等方面。上一页下一页返回绪论３.电力电子技术的发展（１）电力电子器件的发展。由于电力电子器件具有体积小、重量轻、容量大、损耗小、寿命长、维护方便、控制性能好以及可采用集成电路制造工艺等优点，用它组成的装置具有可靠性高、节能、性能好等优点。近半个世纪来，各种电力电子新器件不断涌现，应用范围已从传统的工业、交通、电力等部门，扩大到信息通信、家用电器以至宇宙开发等领域。实际上，电力电子技术的发展已不局限于高电压大电流的工业范畴，当你开车、乘电梯、使用计算机、打开空调、用微波炉、使用冰箱、打电话、看电视听音乐时，都在与电力电子技术打交道，电力电子技术已发展成为一种无所不在的技术。上一页下一页返回绪论电力电子器件的发展可分为两个阶段。①传统电力电子器件。主要是功率整流管与晶闸管（曾称可控硅），属于不控与半控器件。自１９５７年生产第一只晶闸管以来，现已由普通晶闸管衍生出快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等多种，器件的电压、电流等技术参数均有很大提高，单只普通晶闸管的容量已达８０００Ｖ、６０００Ａ。此类器件通过门极只能控制开通而不能控制关断，另外它立足于分立元件结构，工作频率难以提高，因而大大限制了其应用范围。但是晶闸管器件价格相对低廉，在大电流、高电压的发展空间依然较大，目前以晶闸管为核心的设备仍然在许多场合使用，晶闸管及其相关知识目前仍是初学者的基础。上一页下一页返回绪论②现代电力电子器件。２０世纪８０年代以来，将微电子技术与电力电子技术相结合，研制出新一代高频、全控型器件称为现代电力电子器件。主要有功率晶体管（ＧＴＲ）、可关断晶闸管（ＧＴＯ）、功率场效应管（ＭＯＳＦＥＴ）、绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）、ＭＯＳ门极晶闸管（ＭＣＴ）等。最有发展前途的是绝缘栅双极晶体管与ＭＯＳ门极晶闸管，两者均为场控复合器件，工作频率可达２０ｋＨｚ。目前ＩＧＢＴ器件已取代ＧＴＲ，而ＭＣＴ将可能取代晶闸管与ＧＴＯ，功率ＭＯＳＦＥＴ在低压高频变流领域仍有发展潜力。器件是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。电力电子器件的发展方向主要表现在以下６个方面。上一页下一页返回绪论①大容量化。应用微电子工艺，使单个器件的电压、电流容量进一步提高，以满足高压大电流的需要。②高频化。采用新材料、新工艺，在一定的开关损耗下尽量提高器件的开关速度，使装置运行在更高频率。频率提高不仅可提高系统的性能、改善波形，而且大大减少装置的体积与重量，因此高频器件的技术性能指标用“容量×工作频率”来衡量。③易驱动。由电流驱动发展为电压驱动，大力发展ＭＯＳ结构的复合器件，如ＩＧＢＴ、ＭＣＴ。由于控制驱动功率小，因此可研制专用集成驱动模块，甚至把驱动与器件制作在一个芯片上，以便更适合中、小功率控制。④降低导通压降。研制出比肖特基二极管正向压降还低的器件以提高变流效率、节省电能，特别适用于便携式低压电器。上一页下一页返回绪论⑤模块化。采用制造新工艺，如塑封化、表面贴装化和桥式化，将几个器件封装在一起以缩小体积与减少连线。如几个ＩＧＢＴ器件与续流管以及保护、检测器件、驱动等组成桥式模块，称智能器件，缩写为ＩＰＭ（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ）。⑥功率集成化。充分应用集成电路工艺，将驱动、保护、检测、控制、自诊断等功能与电力电子器件集成于一块芯片，发展成为功率集成电路ＰＩＣ（ＰｏｗｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ），实现集成电路功率化、功率器件集成化，使功率与信息集成在一起，成为机电一体化的接口，并逐步向智能化（ＳｍａｒｔＰＩＣ）方向发展。上一页下一页返回绪论（２）变流电路与控制的发展。传统电力电子技术以整流为主导，以移相触发（相控）、ＰＩＤ模拟控制方式为主。２０世纪８０年代高频全控器件的出现，使逆变、斩波电路的应用日益广泛。由于逆变、斩波电路中都需要直流电源，因此整流电路仍占重要地位。在逆变、斩波电路中，以斩控形式的脉宽调制（ＰＷＭ）技术大量应用，使交流装置的功因数提高、谐波减少、动态响应加快。特别是以微处理器实现的数字控制替代了模拟控制，并应用于静止旋转坐标变换的矢量控制，使电力电子技术日臻完善。４.电力电子技术的应用上一页下一页返回绪论电力电子技术广泛应用于工业、交通、ＩＴ、通信、国防以及民用电器、新能源发电等领域。它的应用领域几乎涉及国民经济的各个工业部门。具体应用主要有直流可调电源、电镀、电解、加热、照明控制与节能照明、不间断电源（ＵＰＳ）与开关电源、充电、电磁合闸、电机励磁、电焊接、电网无功与谐波补偿、高压直流输电、光电池与燃料电池变换、固态断路器、感应加热、电机直流调速与变频交流调速、电力牵引（地铁机车、矿山机车、城市电车、电瓶车、电动汽车）、汽车电气、计算机及通信电源以及各类家电与便携式电器等。全球６００亿美元的电力电子产品市场已经形成，支撑着５７００亿美元的电器电子硬件产品。据美国国家电力科学研究院预测，到２０１０年，８０％的电能将通过电力电子变换器来处理。上一页下一页返回绪论（１）交－直流电源。计算机高效绿色电源；电解、电镀等应用领域中的低电压大电流可控直流电源；各类高性能的不间断供电电源；各类恒频、恒压通用逆变电源。广泛应用于航天、航空、船舶、车辆、军事装备等特殊应用领域中作为独立的交流通用电源；各类低压直流开关电源。广泛应用于通信、计算机等领域，给电子设备、仪器的电子电路供电；蓄电池充电电源；中频或高频感应加热电源；大功率脉冲电源、激光电源；燃料电池或太阳能光－电能转换系统输出的恒压直流或恒频、恒压交流电源；抽水储能发电站、超导磁体储能、磁悬浮运载工具等高压特大容量的电力电子变换电源。上一页下一页返回绪论（２）电气传动与控制。电动机调速是电力电子在电动机控制中的重要应用。直流电动机变速传动控制是利用整流器或斩波器获得可变的直流电源，对直流电动机电枢或励磁绕组供电，实现控制电动机转速和转矩，达到直流电动机的变速传动控制。交流电动机变速传动控制则是利用逆变器或交－交直流变频器对交流电动机供电，通过改变逆变器或交－直流变频器的频率、电压和电流，实现经济、有效地控制交流电动机的转速和转矩，来达到交流电动机的变速传动。电力电子技术的迅猛发展促使电动机控制技术有了突破性的提高，不仅能给电机提供好的调速性能，还能大大节约能源。以下４种类型的电动机传动与电力电子技术密切相关。上一页下一页返回绪论①工艺调速传动。这类传动要求机器按一定的工艺要求实施运动控制，以保证最终产品的质量、产量和劳动生产率。②节能调速传动。在各行各业中，风机、水泵等用交流电动机来拖动的负载，其用电量占我国工业用电量的５０％以上。如果我国所拥有的风机、水泵全面采用变频调速后，就可节约电能３０％以上，每年节电达到数百亿千瓦时。③牵引调速传动。如电动汽车及各种电瓶车、地铁及机车牵引；各类起重机及矿井提升机、电梯、船舶推进系统等，既可提高运输效率、显著节能，又可减少污染、保护环境。上一页下一页返回绪论④精密调速和特种调速。数控机床的主轴传动和伺服传动是现代机床的不可分割部分，雷达火炮的同步联动等军事应用都要求电动机有足够的调速范围（如１∶１００００以上）和控制精度。（３）电力系统。在电力系统中，电压是衡量电能质量的一个重要指标。随着电力电子技术的发展，电力电子设备已开始进入电力系统并为解决电能质量控制提供了技术手段。①新型直流输电技术。新一代的直流输电是指进一步改善性能、大幅度简化设备、减少换流站占地、降低造价的技术。直流输电性能创新的典型例子是轻型直流输电系统（ＬｉｇｈｔＨＶＤＣ），它采用ＧＴＯ、ＩＧＢＴ等可关断的器件组成换流器。省去了换流变压器，整个换流站可以搬迁，可以使中等容量的直流输电在较短的输送距离内也能与交流输电竞争。上一页下一页返回绪论②电力电子补偿控制器。利用现代电力电子技术，在电力系统中引入大功率半导体高频开关型电力电子补偿控制器，可以对电力系统的谐波、无功功率、潮流、电压瞬变、节电电压的大小和相位以及电力系统的瞬时功率平衡等进行快速、有效地调节和控制。电力电子技术应用的新型领域及未来的发展方向表现在以下几个方面。①环境保护。现代社会对环境造成了严重的污染，温室气体的排放引起了国际社会的普遍关注。一个人的身体一天排出的二氧化碳约为１ｋｇ，实际上，现代社会大量的能源消耗是温室气体排放的主要原因，这使得全球人均对环境排放的二氧化碳量是人身体排放二氧化碳量的１０倍。而发达国家的长期工业化过程又是造成温室气体问题的重要因素。上一页下一页返回绪论例如，美国人均排放二氧化碳量是人身体排放二氧化碳量的５６倍；日本人均排放二氧化碳量是人身体排放二氧化碳量的２５倍。改革开放以来，我国的能源消费量急剧上升，二氧化碳排放量也有较大增加。１９５５年我国由能源活动引起的二氧化碳排放量约为２８亿吨，在全球温室气体排放总量中位居第二位，约占１２％。按照我国目前以烧煤为主的能源方案，预计到２０２０年，我国的二氧化碳排放量就能超过美国，成为世界第一排放国。５.本课程的性质、要求和学习方法上一页下一页返回绪论（１）本课程性质和任务。在各种电气控制设备中，能够实现弱电控制强电的是电力电子装置。如果说，计算机是现代化生产设备的大脑，电动机和各种电磁执行元件是手足，那么电力电子装置就是支配手足动作的肌肉和神经。电力电子技术作为电气类的专业基础课，一种应用技术课程，综合性强、应用涉及面广、与工程实践联系密切。（２）本课程的基本要求。①了解电力电子技术的应用范围及发展动向。②熟悉功率二极管、晶闸管、功率晶体管、ＩＧＢＴ等电力电子器件的结构、工作原理、开关特性和电气参数，能正确选择和使用各种功率开关器件。了解各种开关器件的控制和保护，以及各种电路的特点、性能指标和使用场合。上一页下一页返回绪论③熟练掌握单相和三相整流电路的基本原理、波形分析和各种负载类型对电路工作的影响，并能进行简单设计计算。熟练掌握ＤＣ／ＡＣ逆变电路、ＤＣ／ＤＣ直流斩波器变换电路、ＡＣ／ＡＣ交流变换电路的工作原理、波形分析和参数计算。④掌握脉宽调制技术的工作原理和控制特性，了解软开关技术的基